优博论文 | 张朱浩伯：具有偏移适应性的无线电能传输系统恒流-恒压控制与磁集成技术研究
近日，学校颁布了《浙江大学关于公布2022年浙江大学优秀博士学位论文名单的通知》，国际校区浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院（ZJUI）及电气工程学院联合培养的博士研究生张朱浩伯所著博士学位论文《具有偏移适应性的无线电能传输系统恒流-恒压控制与磁集成技术研究》（指导老师：马皓，Philip T. Krein，徐德鸿）获评2022年浙江大学优秀博士学位论文。
论文介绍
作者：张朱浩伯
导师：马皓，Philip T. Krein，徐德鸿
学院：浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院（ZJUI）及电气工程学院联合培养
题目：具有偏移适应性的无线电能传输系统恒流-恒压控制与磁集成技术研究
随着全球能源危机的不断加深，节能和减排是未来技术发展的方向。在第七十五届联合国大会上，习近平总书记提出了碳达峰、碳中和的目标，我国必将加速优化能源结构，推进新能源产业的迅速发展。国务院办公厅在新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）中指出，新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措。但是，车载动力电池的能量密度低，电动汽车的续航里程远低于传统燃油车，因此需要对电池组进行频繁充电。传统的接触式有线充电方案存在插接件笨重、易磨损、雨雪天气漏电等问题， 并且输电线缆的长度和拖拽限制了充电的灵活性，极大限制了现今电动汽车技术的应用与推广。
相比于传统的插入式充电方式，采用无线电能传输技术为电动汽车供电可以实现电动汽车的即停即充，方便快捷，应用场景广泛。由于电动汽车的车载端和供电端不存在直接的电气接触，且无裸露的金属接头，该技术更加安全可靠，且不受恶劣天气的影响，可以与自动驾驶等技术相结合实现自动化。因此，为了提高充电系统的安全性、可靠性和灵活性，感应式无线电能传输技术成为未来电动汽车能量供给的发展趋势，该技术在未来的交通系统供电领域有着广阔的发展空间，具有重要的研究意义与现实意义。本篇博士论文面向电动汽车应用的无线电能传输技术，针对锂电池充电的恒流-恒压的控制方法、谐振磁元件的结构集成、无线充电系统的偏移适应性等方向开展了深入分析和研究，为无线充电系统实现高效率的功率传输提供了新的解决方案和技术支持。
学术成果
首先，该博士论文针对电动汽车锂电池恒流-恒压的单级充电需求，提出了基于可变电感的高效率单级无线电能传输系统，该系统可同时补偿锂电池的宽等效负载范围和电动汽车的宽偏移范围；另外，提出了一种多频段跟踪的控制方法，该方法不仅可以实现宽偏移范围内单级恒流-恒压的充电目标，减少车载功率设备，还可以最小化系统无功功率，提高传输效率。在4.4 kW功率等级、原副边间距16 cm的条件下，实现了DC-DC 97.5%的峰值传输效率，达到了现今国际上的最高水平。
其次，针对电动汽车充电系统磁元件较多的问题，为了提升系统的功率密度，提出了一种基于正交嵌套解耦的磁集成设计方法，并根据该方法，分别针对谐振电感和多功率传输回路的磁集成问题，提出了两种新型的磁集成结构。其中，新的谐振电感磁集成结构有利于突破美国相关方案的专利壁垒，并可以进一步降低高频电流的邻近效应，实现更高的系统传输效率。
最后，针对电动汽车的泊车偏移问题，为了降低泊车时变压器原副边的偏移距离，首次提出了无需辅助传感器、仅通过功率线圈同时检测副边车辆的x/y/z三维定位信息的方法，并具有极高的定位精度，拓展了无线充电系统的偏移适应性。
图1. 感应式无线电能传输技术的基本原理框图
图2. 基于可变电感的单级恒流-恒压无线充电系统闭环控制框图
图3. 基于多频段跟踪控制的单级恒流-恒压无线充电系统实验结果
图4. 基于径向和切向正交磁通的多线圈磁集成结构图与电路拓扑图
图5. 基于横向和纵向磁通的双路功率传输线圈磁集成结构与电动汽车副边线圈定位结果
导师说
电动汽车无线充电中，若能实现单级对车载电池的恒压恒流充电方法，则可较大减少充电所需的车载元器件，而适应于宽电池负载特性和宽偏移的高效率无线充电方案是关键难题。该文提出的基于可变电感的单级无线电能传输系统方案和多频段跟踪的控制方法，解决了这个难题，并且达到了相似工作条件下现今国际上的最高水平峰值传输效率。进一步，创新提出了基于正交嵌套解耦的磁集成设计方法和无需辅助传感器的三维定位信息方法，有效提升了功率密度，拓展了无线充电系统的偏移适应性。
作者说
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对于电动汽车的充电系统，相比于传统的插入式充电方式，采用无线电能传输技术可以实现电动汽车的即停即充，安全可靠，方便快捷，且不受恶劣天气的影响，应用场景广泛。该技术不仅可以降低城市的土地成本和利用率，还可以与自动驾驶等技术相结合实现自动化。无线电能传输技术的上述诸多优势使其在未来的交通系统供电领域有着广阔的发展空间。该技术具有如下几个关键的技术难点：由于锂电池负载的宽等效负载范围和耦合变压器的宽偏移范围，采用单级系统实现电动汽车锂电池的CC-CV 充电需求可以减少车载的功率设备；在低耦合系数的条件下，提高充电效率不仅可以缩短充电时间，还可以实现节能环保高效的目标；利用磁集成技术可以提高充电系统的功率密度，降低供电设备体积；由于电动汽车存在泊车偏移，高精度的车载定位系统利于降低该偏移距离。针对上述的技术难点，我在马皓教授、徐德鸿教授和P. Krein教授的指导下，提出上述学术成果中的一系列技术方案，为无线充电技术的工程化与产业化做出了一份自己的微薄贡献。
回首过去五年的博士生活，往事仍历历在目。感谢三位导师对我学习和生活上给予了悉心的指导与教诲，让我在做人与做事上受益匪浅；感谢实验室课题组小伙伴们的帮助与共勉，在科研道路上得以共同进步；感谢母校浙江大学的支持，让我在高层次的平台上发挥自己的创造力和想象力；感谢父母对我一如既往的鼓励与支持，让我在面对科研困难时重拾信心，一往无前。博士的五年时光是一段孤独的旅程，漫漫长路与征程需要坚强的意志和不倒的信心；博士的五年时光同样是我人生中重要的财富，从中学到的知识、培养的技能、练就的心态使我受益终生。古人云，“世之奇伟瑰怪，非常之观，常在于险远”，只有付出辛勤与汗水后的成功才更令人欢欣鼓舞，酣畅淋漓。所以，也请还在路上的同学不要在与身边人的比较中自怨自艾，不要在面对失败时失去继续前进的勇气，只有珍惜当下的时间，坚定个人目标，做好眼前的琐事，才能够让我们身上所背负的十字架发挥应有的作用，才能让自己在责任下成长。
图文 | 张朱浩伯
责任编辑 | 李亦楠
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